提高油田機(jī)采系統(tǒng)地面效率技術(shù)研究及應(yīng)用

王 曼 楊 會(huì) 豐 張 倩 覃 川

（1.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室）

提高油田機(jī)采系統(tǒng)地面效率技術(shù)研究及應(yīng)用

王 曼1,2楊 會(huì) 豐1,2張 倩1,2覃 川1,2

（1.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室）

以節(jié)能降耗為目標(biāo)，通過(guò)機(jī)采井地面效率的影響因素分析，闡述了提高抽油機(jī)井地面效率的途徑及措施。通過(guò)平衡優(yōu)化，合理匹配電動(dòng)機(jī)，節(jié)能設(shè)備的應(yīng)用及加強(qiáng)抽油機(jī)井生產(chǎn)管理等綜合治理措施，使安塞油田抽油機(jī)井地面效率獲得提高。

抽油機(jī) 電動(dòng)機(jī) 系統(tǒng)效率 無(wú)功功率

安塞油田屬于典型的低滲、低產(chǎn)油田，其開發(fā)基本采用定向井、叢式井組方式，全部采用有桿泵機(jī)械采油方式生產(chǎn)。2011年機(jī)采井開井 5381 口，所用抽油機(jī)以5型和6型常規(guī)游梁式抽油機(jī)、異相曲柄抽油機(jī)、復(fù)合平衡抽油機(jī)為主。油井電動(dòng)機(jī)總數(shù) 5381 臺(tái)， 電 動(dòng) 機(jī)功率 以 13.5kW 和 15kW 為 主，油井電動(dòng)機(jī)平均功率因數(shù)為 0.3。

安 塞 油 田 生 產(chǎn) 原 油 年 耗 電 量 42381.83 × 104kWh， 原 油 生 產(chǎn) 單耗 為 119.78kWh/t， 油 井 提 液 單耗 61.03kWh/t， 占 生 產(chǎn) 用 電 的 50.95% ， 油 井 的 地面效率為 41.32%，因此，提高抽油機(jī)井地面效率，對(duì)于降低安塞油田生產(chǎn)成本，具有十分重要的意義。

1 影響抽油機(jī)井地面效率的因素

抽油機(jī)井系統(tǒng)效率是指將井內(nèi)液體提升至地面所需的有效功率與輸入功率的比值。以光桿懸繩器為 界 ， 系統(tǒng)效率分為地面效率和井下效率兩部分[1]。 其中影響抽油機(jī)井機(jī)采系統(tǒng)效率的主要節(jié)點(diǎn)在地面部分。地面效率是指懸繩器以上的機(jī)械傳動(dòng)效率和電動(dòng) 機(jī) 效 率 的 乘 積[2]。 地 面 部 分 的 能 量 主 要 損 失 在 電動(dòng)機(jī)和抽油機(jī)上。

電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)分為有功功率和無(wú)功功率。電動(dòng)機(jī)負(fù)載率小，則電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率較大；反之，則電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率較小。無(wú)功功率大，則系統(tǒng)效率低。

在油田中，游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)與深井泵的工作特點(diǎn)相結(jié)合，形成了特有的負(fù)荷特性--周期性交變負(fù)荷。當(dāng)抽油機(jī)不平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上會(huì)出現(xiàn)負(fù)扭矩。此時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速 時(shí) 處 于 發(fā)電狀態(tài) ， 并 產(chǎn) 生 負(fù)功[3]， 影響地面 效 率 。

2 提高抽油機(jī)井地面效率的途徑及方法

根據(jù)影響因素分析，提高地面效率主要有提高電動(dòng)機(jī)效率和抽油機(jī)效率。

提高地面效率對(duì)策見圖1。

圖1 提高地面效率對(duì)策圖

3 提高地面效率的措施及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1提高電動(dòng)機(jī)效率

提高電動(dòng)機(jī)效率要從減少負(fù)功、降低無(wú)功功率兩方面，提高有功節(jié)電率。

3.1.1 減少電動(dòng)機(jī)負(fù)功

減少電動(dòng)機(jī)負(fù)功主要在于調(diào)整抽油機(jī)平衡。當(dāng)抽油機(jī)在重載時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)汲取了過(guò)多的能量，這部分能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)慣性能儲(chǔ)存于平衡塊中；當(dāng)抽油機(jī)輕載時(shí)，平衡塊將這部分慣性能釋放出來(lái)，驅(qū)使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)電動(dòng)機(jī)做“負(fù)功”。電動(dòng)機(jī)會(huì)在不平衡時(shí)出現(xiàn)做負(fù)功現(xiàn)象，根據(jù)電能→機(jī)械能→電能的轉(zhuǎn)化過(guò)程，轉(zhuǎn)化效率一般只有60%，且發(fā)電相位落后于供電相位。因此，提高抽油機(jī)平衡，減少造成負(fù)功的影響因素，可提高地面效率。

1） 對(duì)于供液不足容易發(fā)生液面撞擊等情況的油井，應(yīng)用功率法調(diào)平衡比較適用。

2） 早期投運(yùn)的抽油機(jī)由于油田開發(fā)動(dòng)態(tài)變化，部分抽油機(jī)由于負(fù)荷加大，超載的情況越來(lái)越嚴(yán)重，故障損壞頻繁，從 2003 年開始安塞油田先后投入 199.8 萬(wàn)元，采用復(fù)合平衡技術(shù)陸續(xù)對(duì) 235臺(tái)超負(fù)荷抽油機(jī)進(jìn)行了加裝尾平衡的改造，改善了抽油機(jī)連桿、尾軸承、曲柄銷等部件的受力狀況，降低了抽油機(jī)的沖擊負(fù)荷，解決了抽油機(jī)平衡問(wèn)題 ， 經(jīng) 過(guò) 測(cè) 試平衡率由 72.1%提 高 到 92.6% ， 滿 足了生產(chǎn)實(shí)際需要。

3） 對(duì)于老舊的游梁式抽油機(jī)，無(wú)法通過(guò)上述兩種方法調(diào)平衡的油井，進(jìn)行了平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的試驗(yàn)，可以實(shí)時(shí)調(diào)整抽油機(jī)的平衡狀態(tài)，達(dá)到提高地面效率的目的。經(jīng)測(cè)試，有功節(jié)電率 7.9%，無(wú)功節(jié)電率 25.8%，綜合節(jié)電率 9.8%。

3.1.2 降低無(wú)功功率，提高有功節(jié)電率

1）合理匹配電動(dòng)機(jī)，提高電動(dòng)機(jī)負(fù)載率

異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無(wú)功功率是由其空載時(shí)的無(wú)功功率和一定負(fù)載下無(wú)功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。

安塞油田抽油井電動(dòng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象非常普遍 ，電 動(dòng) 機(jī)負(fù) 載 率平 均 24.6%， 平均功 率因數(shù) 0.3。有針對(duì)性的更換小功率電動(dòng)機(jī)，可降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行無(wú)功功率，提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，降低有功耗能，提高系統(tǒng)效率。

2）應(yīng)用高效電動(dòng)機(jī)

應(yīng)用永磁電動(dòng)機(jī)。根據(jù)抽油機(jī)的工作特性，要求電動(dòng)機(jī)能夠滿足啟動(dòng)扭矩大、有一定承受過(guò)載的能力、在較大的負(fù)荷率下工作效率較高條件，因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)是較理想的選擇。安塞油田應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī) 716臺(tái)，通過(guò)對(duì)60臺(tái)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)安裝前后效果測(cè)試對(duì)比，平均功率因數(shù)由0.36 上 升 到 0.81， 平 均 系 統(tǒng) 效 率 由 18.84% 上 升 至20.83%， 提 高 了 1.99 個(gè)百分點(diǎn) ， 日 耗 電 量 由 60.72 kWh 降 低 至 47.27kWh， 平 均 單 井 日 節(jié) 電 13.45 kWh，平均有功節(jié)電率 5.55%，取得了較好的效果見表1。

應(yīng)用多功率電動(dòng)機(jī)。多功率電動(dòng)機(jī)是根據(jù)抽油機(jī)負(fù)載大小實(shí)時(shí)功率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)節(jié)能的，因此多功率電動(dòng)機(jī)適合應(yīng)用于井況不穩(wěn)定的井。自 2008 年以來(lái)，更換應(yīng)用多功率電動(dòng)機(jī)334臺(tái)，通過(guò)對(duì)35臺(tái)多功率電動(dòng)機(jī)安裝前后效果測(cè)試對(duì)比，平均功率因數(shù)由 0.33 上 升 到 0.54， 平 均 系統(tǒng) 效 率 由 18.97% 上 升 至20.15%，見表2。

表1 永磁電動(dòng)機(jī)使用前后效果對(duì)比

表2 多功率電動(dòng)機(jī)應(yīng)用前后效果對(duì)比

3）應(yīng)用集中控制節(jié)能裝置

由于安塞油田油井大部分為叢式井組開發(fā)，因此抽油機(jī)應(yīng)用了集中控制節(jié)能裝置，該裝置優(yōu)化集成了共直流母線、無(wú)功補(bǔ)償、無(wú)級(jí)變頻調(diào)參、軟啟動(dòng)等多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。自 2008 年以來(lái)在安塞油田 19個(gè)井組共計(jì) 87口油井進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)價(jià)，經(jīng)測(cè)試，平均有功功率由 11.19kW 降低到 6.23kW，平均無(wú)功 功 率 由 37.74kvar降 低 到 3.32kvar， 平 均 功 率 因數(shù)由 0.331 提高 到 0.96，平均系 統(tǒng) 效 率 達(dá) 到 25.12%。

3.2提高抽油機(jī)效率

3.2.1 應(yīng)用新型節(jié)能抽油機(jī)

CYJ7-2.5-26HY 型整體彎游梁式抽油機(jī)是針對(duì)低 滲 透 油 藏 而設(shè) 計(jì) 的 新 型節(jié) 能 抽 油 機(jī)[4]（圖2）， 解決了長(zhǎng)慶油田部分油井使用8型機(jī)懸點(diǎn)載荷過(guò)剩，使用 6 型 機(jī) 懸 點(diǎn) 載 荷 不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn) 2.5/min 超低沖速，電動(dòng)機(jī)可以靈活選取，對(duì)于產(chǎn)液量較低、要求沖速低時(shí)，選用 Y180L-12/11kW 電動(dòng)機(jī)，對(duì)于產(chǎn)液量較高、要求沖速較高時(shí)，選用 Y200L-8/ 15kW 電動(dòng)機(jī)，滿足低滲透油田開采的生產(chǎn)需要。（該型抽油機(jī)采用游梁平衡方式，平衡率高，節(jié)能效果較好）。安塞油田應(yīng)用了 148 臺(tái) 7 型節(jié)能抽油機(jī)，平均系統(tǒng)效率達(dá)到 25.23%，經(jīng)測(cè)試，有功節(jié)電率達(dá)到 8.7%以上。

3.2.2 強(qiáng)化抽油機(jī)管理，降低機(jī)械摩擦損耗

在抽油機(jī)抽油的能量傳遞過(guò)程中，抽油機(jī)能量損失在摩擦損耗中，因此，強(qiáng)化抽油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)，降低機(jī)械摩擦損耗，是提高機(jī)采系統(tǒng)效率的重要方面。主要包括電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)、井口各運(yùn)動(dòng)摩擦部位的潤(rùn)滑、驢頭校偏、皮帶輪“四點(diǎn)一線”及皮帶松緊調(diào)整及更換磨損嚴(yán)重變速箱等。

圖2 整體彎游梁式抽油機(jī)

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

1）合理匹配電動(dòng)機(jī)，降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的無(wú)功功率，提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)效率。

2）應(yīng)用高效電動(dòng)機(jī)及集中控制節(jié)能裝置，減少電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗，變頻調(diào)參，提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)。

3） 調(diào)整抽油機(jī)平衡，減小電動(dòng)機(jī)軸功率波動(dòng)，減少負(fù)功現(xiàn)象，提高電動(dòng)機(jī)效率。

4）應(yīng)用節(jié)能抽油機(jī)等高效抽油設(shè)備及做好抽油機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，是提高地面效率的重要方面。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2013.003.006

2012-11-28）

王曼，2009年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，主要從事油田節(jié) 能 方 面 的 生 產(chǎn) 管 理 和 科 研 工 作 ， E-mail： Wman_cq@petrochina. com.cn，地址：陜西省西安市未央?yún)^(qū)明光路長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院，710021。